En éste trabajo de título se diseña un proyecto de elevación de agua para riego en el Cerro Calán el cual alberga en su cumbre al departamento de Astronomía de la Universidad de Chile. La elevación de agua se hará mediante el uso de bombas activadas con energía solar fotovoltaica. Esta elección se basa en la importancia creciente que está tomando a nivel mundial la elección de formas limpias de energía y en la imagen que da la Universidad de Chile al país como una institución comprometida con el desarrollo de las energías renovables. Los pasos a seguir en el presente informe serán la determinación del caudal de diseño de la impulsión, el diseño de los paneles solares, la elección de las bombas y el diseño de las obras tales como cámara de captación, cámara de impulsión, diámetro de la impulsión, tipo de tubo y uso de la infraestructura existente en el cerro. El presente informe incluye además una simulación horaria de bombeo solar, el presupuesto de los materiales y obras respectivas y los planos del proyecto, con los cuales se contempla la materialización de éste para el año 2010.

Ingeniero Civil Eléctrico / Este trabajo se originó por la necesidad de la empresa Colbún S.A de construir un parque fotovoltaico con capacidad máxima de 3 MW y que pudiera ser instalado en terrenos colindantes a centrales en servicio, con el fin de que su punto de conexión sea lo mas expedito. El objetivo es conocer las variables que contemplan la ingeniería y el costo de inversión para la construcción de un parque fotovoltaico, para lo cual se escogieron dos posibles ubicaciones. Los terrenos corresponden a la central Carena, ubicada en la Región Metropolitana, y Central Candelaria, ubicada en la VI Región del Libertador General Bernardo O'Higgins. Se solicitó la información topográficas y ambiental de ambas propiedades con el fin de determinar la superficie útil para la instalación de este parque fotovoltaico. Posteriormente esta información fue corroborada con visitas a terreno, lo que permitió determinar la viabilidad de instalar este proyecto en el terreno colindante de Central Candelaria. Teniendo el terreno útil de esta instalación, se determinó la máxima potencia a instalar según tecnología; Policristalino (1,5 MW) o Thin Film (1 MW). Como el concepto manejado por Colbún S.A. para este proyecto es de carácter de conocimiento de este tipo de tecnología, el valor de inversión obtenido y los indices de ingreso no son impedimento para la construcción de este proyecto. Por otra parte, al comparar ambas tecnologías se sugiere utilizar módulos policristalinos, pues la potencia a instalar es mayor en un 50% respecto al módulo Thin Film aplicados en el mismo terreno, y a su vez su inversión por MW es un 17% menor.

Ingeniera Civil Mecánica / El trabajo de título consiste en el estudio de localización de Centrales Solares Térmicas con generación de electricidad utilizando Ciclo de Rankine. La potencia de trabajo es de 25 [MW] y las centrales se sitúan en cinco localidades a especificar entre las regiones de Antofagasta, Atacama y Coquimbo, ya que estas zonas poseen mayor recurso solar, el cual se puede comprobar mediante el Explorador Solar de la Universidad de Chile, página web que tiene información histórica de la irradiancia en todo Chile. Las centrales del estudio de localización deben operar 24 horas todos los días del año, con 25% de energía solar térmica como mínimo y el resto con energía de respaldo o de apoyo, en las que se permiten escoger entre Energías Convencionales y Energías Renovables No Convencionales (ERNC), cuya decisión final fue usar las energías ERNC como Biomasa, Eólica y Mareomotriz. Las centrales pueden ser de Tipo Torre o con Colectores Cilindro-Parabólicos, ya que estas tecnologías presentan mayor madurez respecto a las otras existentes, en las que solo se han investigado y no han operado comercialmente. Todo el estudio realizado indicó que uno de los parámetros más relevantes para el emplazamiento de una central termosolar con generación de electricidad junto con la intensidad de radiación solar es el relieve de la superficie y el recurso hídrico. Otros parámetros importantes estudiados fueron: redes viales, centros poblados, planes reguladores vigentes, etc.

Ingeniero Civil Eléctrico / El aumento en las aplicaciones de energías renovables y la proliferación de tecnologías complejas a escala individual utilizando placas de desarrollo como Arduino ha promovido una cultura de comunidad de desarrollo abierto. En el ámbito de energía solar permite la implementación de sistemas de seguimiento solar. Esto mejora significativamente el rendimiento de tecnologías solares desde paneles fotovoltaicos a calefactores de agua. La investigación preliminar del trabajo resulta en el estudio de un proyecto de una impresora solar 3D que utiliza un lente Fresnel para concentrar la radiación del sol. Esto se puede utilizar en aplicaciones que requieren alta temperatura. Se busca estudiar el rendimiento de un lente de escala individual. Se realiza el diseño y construcción de una estructura para montar el Fresnel. Al ser una tecnología de concentración requiere seguimiento solar para permanecer perpendicular a la radiación del sol. La temperatura en el foco se mide para determinar las aplicaciones posibles, resultando en una temperatura máxima de 690 [°C] durante el mes de diciembre. En el foco se concentra la radiación solar 246 veces. Esto resulta en un rango de operación teórico de 340 a 570 [°C] para aplicaciones útiles y un máximo teórico de 755 [°C]. Respecto a la implementación de una impresora solar con el lente se requiere aumentar la concentración y modificar la estructura para permitir una plataforma móvil en el foco. Existen aplicaciones viables en ámbitos de minería artesanal de oro o cocinas solares de escala familiar. El prototipo requiere trabajo adicional para obtener un sistema de seguimiento más robusto capaz de operar sin mantenimiento constante.

Debido a las condiciones económicas y ambientales actuales, las entidades competentes en el sector energético nacional se encuentran impulsando el desarrollo y masificación del uso de nuevas fuentes de energía. Entre las potenciales fuentes disponibles en Chile, destaca la energía solar, debido a las excelentes condiciones radiativas que se presentan en las regiones al norte del país. Para impulsar el uso de este tipo de fuentes de energía, se hace necesario contar con una entidad que posea la capacidad técnica de realizar ensayos normados sobre los sistemas solares térmicos, y así incrementar su desarrollo. En base a la motivación anterior, se estableció como objetivo general el desarrollo de las ingenierías conceptual y básica de un laboratorio para la realización de pruebas de caracterización a sistemas solares térmicos de uso doméstico. Este laboratorio se diseñó además para tener la capacidad de expandir sus capacidades al anexar nuevos módulos de pruebas. Para dar respuesta a los objetivos propuestos, se elaboraron los diagramas de tubería de los circuitos tanto hidráulicos como neumáticos, que permiten desarrollar las pruebas sobre los sistemas solares térmicos. Una vez finalizado el diseño de los circuitos, se calcularon y establecieron las especificaciones básicas de sus elementos principales, lo que permite continuar en una próxima etapa el desarrollo de la ingeniería de detalle del laboratorio. El desarrolló del diseño de este laboratorio y la selección de los equipos a utilizar, se basaron en las normativas vigentes actualmente en Chile utilizando la instrumentación y metodologías adecuadas a las exigencias que en ellas se establecen. Este diseño se limitó a las áreas que tienen directa relación con la ingeniería mecánica y se dejaron los espacios para introducir los elementos anexos relacionados con otras especialidades. Se finalizó el trabajo con la introducción de directrices básicas sobre los procedimientos a utilizar en el funcionamiento del laboratorio, y recomendaciones a considerar para el desarrollo de la ingeniería de detalle.

Ingeniero Civil Mecánico / La energía solar fotovoltaica representa una fuente renovable de energía, la cual se obtiene directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado celda fotovoltaica. Debido al amplio potencial de uso que presenta el recurso solar y la creciente demanda energética, es de interés el aprovechar de manera óptima este recurso. La producción de energía solar es sensible ante muchos factores, desde propiedades de la celda fotovoltaica en sí misma, como factores medioambientales, entre los cuales se presenta la nubosidad, que afecta de manera perjudicial a un sistema de celdas. Las nubes comprenden fenómenos de reflexión y absorción, afectando la radiación incidente en las celdas solares, y así mismo su desempeño. El caracterizar este fenómeno permitiría crear una red de monitorización de energía solar que simulase cómo impactarían las nubes sobre sistemas fotovoltaicos y así, gestionar las fluctuaciones eléctricas, para que la red no se vea afectada de manera significativa. Este trabajo se centra en el estudio experimental del desempeño de paneles fotovoltaicos sometidos ante una nubosidad controlada. Para el desarrollo de este estudio se generó nubosidad de manera experimental, que es confinada a un recipiente de vidrio traslucido posicionado entre una fuente de luz y la celda solar. Dicho montaje permite el estudio de la respuesta del panel fotovoltaico ante distintas configuraciones de la nubosidad, donde se varió su distancia a la celda receptora y espesor. La nubosidad generada cuenta con una densidad de 0,7063 [kg/m3] y diámetros de gotas de 3 a 5 micrómetros. El montaje experimental construido muestra tener un comportamiento estable, donde los datos medidos presentan una tendencia muy similar a las curvas teóricas que caracterizan el comportamiento del diodo ideal. Los errores para los datos medidos de intensidad de corriente no superan el 6%, mientras el voltaje se mide con una incertidumbre menor al 4%. Se obtienen regresiones de las curvas características con coeficientes de determinación superiores a 0,91. La radiación percibida por la celda disminuye con el aumento de la distancia entre celda y nubosidad. Son estudiadas distancias de 1, 5,5, 10 y 14,5 [cm] para una nubosidad de espesor 4 [cm]. Si bien la porción de radiación bloqueada muestra un aumento con la distancia, este crecimiento tiende a un valor límite, cercano a un 15%, medido para una separación de 14,5 [cm]. El aumento en la distancia de la nubosidad a la celda se ve reflejado en un escalamiento de la curva característica IV, desplazándola hacia el origen sin alterar su forma. Aumentos en el espesor nuboso utilizado generan decaimiento en la radiación percibida por la celda fotovoltaica. Se estudian casos de espesores 4, 8, 12 y 16 [cm], ubicados a una distancia de 1 [cm] frente a la celda. Se obtiene que la radiación bloqueada aumenta desde un 4,95% para un espesor de 4 [cm], hasta un 51,73% para un espesor de 16 [cm]. El aumento del espesor en la nubosidad se ve reflejado en un desplazamiento de la curva característica IV de la celda hacia el origen, donde el valor de disminuye en mayor medida que, por lo que se aprecia un cambio en la forma de la curva característica, a diferencia del caso de desplazamiento nuboso.

Memoria para optar al título de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / El consumo de energía en el mundo se incrementará en un 57% entre 2004 y 2030. Para enfrentar este crecimiento Chile tiene como objetivos centrales en materia energética diversificar la matriz, establecer precios competitivos de la energía y que ésta sea sustentable con el medio ambiente. En este escenario, las ERNC permitirían cumplir tales objetivos en una gran medida. Dentro de las ERNC, la energía solar térmica ha mostrado un crecimiento a nivel mundial en los últimos años, incluido en Chile, que presenta altos niveles de radiación solar para su desarrollo. Con el propósito de exponer las ventajas de la energía solar térmica, se propuso evaluar la rentabilidad de un sistema solar térmico para producir agua caliente sanitaria en un edificio residencial, ubicado en la Región Metropolitana, a través de una evaluación técnicoeconómica. El edificio utilizado como caso de estudio presenta una demanda media diaria anual de 15.839 litros de agua caliente sanitaria y utiliza calderas a gas natural para cubrirla. A través de la evaluación técnica se determinó que la superficie óptima de colectores solares, para satisfacer el 62,5% de la demanda anual de energía necesaria para producir agua caliente sanitaria, es de 143 m2. El resto de la demanda debe cubrirla el sistema convencional de calderas a gas. La implementación del sistema solar térmico permitiría considerables beneficios económicos a la comunidad del edificio, quienes ahorrarían anualmente $12.618.371 por un período de 20 años. El costo de inversión es el factor de mayor sensibilidad debido a su alto valor. No obstante, la inversión se solventa con el ahorro en gas natural y su período de amortización es de 4,8 años. Con la entrada en vigencia de la Ley 20.365, de franquicias tributarias para sistema solares térmicos, el costo de inversión disminuye un 20% y el período de amortización baja a 3,8 años. Por último, se establecieron recomendaciones en la evaluación técnica dirigidas a la etapa de diseño del sistema solar térmico, con la finalidad de hacer más eficiente su funcionamiento, maximizar su vida útil y optimizar su inversión. / Energy consumption in the world will grow a 57% between 2004 and 2030. In order to face that growth, the Chilean Government has the following main objectives regarding energy policy: diversifying the energy matrix, establishing competitive energy prices and respecting the environment and its sustainability. In this scenario, non-conventional renewable energies would accomplish a big portion of these objectives. Among the different renewable energy surces, solar thermal energy has been growing worldwide in recent years, including in Chile, whose high level of solar radiation plays a key factor. Profitability of implementing a thermal solar system in a residential building to produce hot sanitary water was analyzed (technically and economically), with the purpose of presenting the advantages of solar thermal energy. The nalyzed building has a daily demand of hot sanitary water of 15.839 liters and uses a natural gas boiler to cover it. The results revealed that installing a total of 143 m2 of solar collector flat plate is the optimum size that will satisfy the annual energy demand for domestic hot sanitary water in a 62.5%. The rest of the demand has to be covered by the conventional natural gas boiler system. The implementation of the solar thermal system would cause important economical benefitsto the building community, who would save $12.618.371 annualy, during 20 years. The investment cost is the most sensitive factor, due its high value. Nevertheless, the investment cost can be covered by the ammount of saving of natural gas, and its amortization period is 4,8 years. With the recent Law 20. 365 (tax credi for solar thermal systems), the investment cost decreases 20% and the amortization period is 3,8 years. Lastly, recommendations to design of the solar thermal system were made in the technical evaluation presented in this work, with the intention of optimizing the investment costs, making its operation more efficient, and maximizing its lifetime.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En la presente investigación se estableció un método de estimación y evaluación del potencial geotérmico de baja entalpía (PGBE) existente en la comuna de Colina, Región Metropolitana. La importancia de este estudio es que Chile presenta una gran potencialidad geotérmica debido a que cuenta con una intensa actividad volcánica. Para la estimación del PGBE se utilizaron los métodos del volumen y del flujo térmico superficial. Para establecer una zonificación del potencial geotérmico presente en la zona de estudio, se aplicó el método de peaks de histogramas. Finalmente, con el objetivo de evaluar la rentabilidad económica se usaron los siguientes indicadores: Valor Actual Neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y periodo de retorno. Por último, se realizó un análisis de sensibilidad de 3 escenarios socio-económicos. Como resultados, el potencial geotérmico promedio de la comuna de Colina se estimó en 17,69 ± 3,69 [kW], con temperaturas del acuífero que varían entre los 22 [°C] y los 33 [°C]. Resultado del análisis de conglomerados, se determinaron cuatro potenciales zonas caracterizadas por sus potenciales geotérmicos promedios en: 14,97 ± 1,22 [kW], 18,29 ± 1,01 [kW], 21,72 ± 1,02 [kW] y 26,77 ± 2 [kW] respectivamente. Por otra parte, se determinó que existe una alta probabilidad de resultar rentables económicamente proyectos que utilicen las bombas de calor horizontal en los tres escenarios estudiados. En cambio, los proyectos de bombas de calor vertical resultan con mayor rentabilidad sólo cuando se compara con la electricidad como combustible para calefacción. Finalmente, la metodología desarrollada puede ser replicada en diversas zonas del país con el objetivo de cuantificar el PGBE, incentivando el uso de ésta energía limpia y renovable.

El presente trabajo de título tiene como objetivo general estudiar, por medio de la experimentación y simulación, el circuito primario del Sistema Solar Térmico (SST) instalado en una vivienda energéticamente eficiente. Para realizar el estudio experimental se registran variables relevantes del SST que permiten, en base a cálculos energéticos, caracterizar su funcionamiento. Luego, realizando un análisis detallado de los equipos y registros, se utiliza el software TRNSYS para generar un modelo computacional que se ajuste al comportamiento real del sistema. Los objetivos de este modelo son conocer cómo se desenvuelve el sistema durante el año y explorar cambios no invasivos que permitan mejorar su rendimiento. Los cálculos realizados con la información del registro de datos indican que el sistema presenta un rendimiento del 26%, aportando 123,08 [kWh] durante la semana de medición. De esta misma forma, la situación simulada corresponde a un rendimiento del 24%, aportando un total de 111,3 [kWh] semanales. Esto indica que el modelo posee un error relativo menor al 10% en la aproximación del comportamiento de la vivienda. Por otro lado, al proceder con la simulación anual del sistema se obtiene un rendimiento de un 42%, lo que significa un aporte anual de 7642,5 [kWh]. Este aporte en energía renovable evita la emisión de 1,6 toneladas de CO2 anuales. En relación a las modificaciones que se pueden realizar para mejorar el rendimiento, se procedió identificando los puntos más sensibles del SST en base a los resultados detallados del registro, resolviendo cómo actuar frente a ellos para optimizar el funcionamiento del sistema. En este contexto, se identificó como uno de los puntos más críticos al sistema de control, al cual se le aplicaron cambios que significaron un incremento en el rendimiento desde un 24% a un 26%, implicando un aumento en el aporte solar del orden de 10 [kWh] durante la semana de simulación. Gracias a los resultados obtenidos se concluye principalmente que es posible utilizar el registro de datos y la simulación computacional para estudiar el comportamiento de un sistema existente, proponiendo soluciones que mejoren su desempeño en base a la simulación de distintos escenarios. De esta forma, se posee la capacidad de evaluar en el corto plazo una gran cantidad de soluciones con un elevado nivel de representatividad, existiendo la posibilidad de escoger la que más se ajuste a las necesidades del sistema en estudio.

Ingeniero Civil Industrial / El objetivo principal del presente trabajo es realizar un análisis técnico y económico de la implementación de centrales termosolares en el norte de Chile. Para esto se estudiarán tanto el recurso solar como las tecnologías disponibles. La energía solar se considera una energía renovable no convencional (ERNC). Este tipo de energía posee un enorme potencial debido a que utiliza un recurso en esencia inagotable y que supera notablemente a sus contrapartes convencionales (fósil o nuclear) en términos de cantidad disponible. El norte de Chile, particularmente el desierto de Atacama, presenta características únicas para iniciar el desarrollo de distintas tecnologías que utilicen la energía solar. Entre estas características se destacan una alta irradiancia diaria y ausencia de nubosidad la mayor parte del año. En este trabajo se revisó el estado del arte de la tecnología termosolar, para luego -a través de comparaciones- escoger dos tecnologías para evaluar con mayor detalle y estudiar su factibilidad económica. Para conseguir esto, se modeló el recurso solar del norte grande y se escogió como posible ubicación un sitio cercano a la estación Crucero, debido a sus buenas condiciones solares y cercanía a la red de distribución eléctrica. Implementando el modelo de Perrin de Brichambaut se estimó la radiación solar disponible en el lugar escogido. Para el análisis en detalle y la evaluación económica se seleccionan dos tecnologías termosolares, tanto por su madurez tecnológica como por su potencial futuro, los colectores cilindro-parabólicos y los concentradores centrales de torre. Utilizando datos reales de la industria más las estimaciones de ingresos y costos, el análisis económico indica que con las condiciones actuales, las centrales no son rentables para tamaños de 9 y 100 MW. Este resultado cambia significativamente cuando se consideran las reducciones potenciales de costos o la inclusión de políticas de fomento a las tecnologías termosolares, ya que todos los proyectos logran factibilidad económica, con TIRs de 16 y 17% para las centrales de 100 MW y 15% para las de 9 MW. El cálculo del LCOE muestra que las centrales se vuelven rentables cuando el costo marginal de la energía supera los 140 USD/MWh. Se concluye que la tecnología cilindro-parabólica resulta más rentable en el corto plazo, pero la de torre tiene un mayor potencial en el largo plazo. Además se destacan las condiciones del desierto de Atacama y se propone a futuro realizar la ingeniería de detalle y analizar la implementación conjunta con otras tecnologías renovables o combustibles fósiles.